鄭州大學單崇新教授、吳翟教授、蘇州大學揭建勝教授研究團隊：芯片集成的低溫生長2DPdTe2狄拉克半金屬實現非制冷中紅外傳感

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鄭州大學單崇新教授、吳翟教授（共同通訊作者）、蘇州大學揭建勝教授等研究團隊合作使用低溫自縫合外延(SSE)方法展示了英寸級2D PdTe₂狄拉克半金屬。兩種前驅體之間的低形成能有利于低溫多點成核(~300 ℃)、長大和合并，導致PdTe₂晶疇自縫合成連續薄膜，這與后端線(BEOL)技術高度兼容。基于非制冷片上PdTe₂/Si肖特基結的光電探測器表現出高達10.6 μm的超寬帶光響應，具有很高的比探測率。此外，高度集成的器件陣列具有高分辨率的室溫成像能力，并且該器件可以作為紅外光通信的光數據接收器。該研究為用于非制冷MIR傳感的2D半金屬的低溫生長鋪平了道路。文章以“Uncooled Mid-Infrared Sensing Enabled by Chip-Integrated Low Temperature-Grown 2D PdTe₂Dirac Semimetal”為題發表在Nano Letters期刊上。

研究背景

非制冷中紅外(MIR)光探測和成像由于其在天文學、量子信息、光學雷達、醫學診斷等廣泛應用。具有高集成度和小型化的片上光電探測器是這些先進技術的核心。最先進的IR傳感器主要是由In_1-xGa_xAs，InSb和Hg_1-xCd_xTe制成的半導體探測器。然而，這些半導體材料的生長通常加工溫度>600 ℃和需要嚴格的晶格匹配，這使它們與Si CMOS技術的集成帶來了巨大的困難。此外，光電探測器的操作需要使用昂貴和復雜的冷卻設備。

可喜的是，近年來在非晶鍺沉積和石墨烯轉移方面的研究取得了不錯的進展。這些方法為片上光探測應用中紅外吸收材料生長的襯底獨立性提供了潛在的解決方案。但是，低晶體質量和界面雜質污染導致光電探測性能嚴重下降。這些缺點極大地阻礙了高集成度和小型化下一代片上光電器件的實現。

2D過渡金屬硫族化合物(TMDs)材料具有非凡的電學和光電子性質，在先進的紅外光探測技術中顯示出初步的前景。PdTe₂是一種新近被重新發現的II型狄拉克半金屬，它擁有一個極大傾斜的狄拉克錐、高載流子遷移率、半導體到半金屬的轉變，以及從紫外到太赫茲范圍內的寬光吸收。

但是，有限的橫向尺寸(<100 μm)和薄膜的不連續性極大地限制了PdTe₂基光電探測器在實際應用中的大規模集成。此外，由于生長溫度高，遠遠超出了后端線(BEOL)集成的兼容極限(<400 ℃)，因此在Si CMOS電路上原位制造2D層狀材料是不切實際的。因此，開發一種可行的方法使PdTe₂在更低的溫度下生長至關重要。

研究內容

在本文中，鄭州大學單崇新教授、吳翟教授、蘇州大學揭建勝教授聯合的研究團隊開發了一種低溫vdW SSE方法，用于在相對較低的溫度(~300 ℃)下大面積制造厚度可控的2D PdTe₂層，展示了與BEOL技術的高兼容性。另外，本文成功地制造了一個基于PdTe2/Si肖特基結具有64個功能光電探測器的單片集成器件陣列，其超寬帶探測范圍高達10.6 μm，響應速度快至1.5 μs，比探測率高達~10⁹Jones，優于大多數基于2D TMD或3D半導體材料的紅外光電探測器。此外，展示了具有高分辨率和出色像素均勻性的肖特基結器件陣列的非冷卻MIR成像能力。肖特基結器件也可以作為光學數據接收器用于紅外光通信應用的概念驗證演示。本文的工作為開發基于2D半金屬的非制冷片上MIR傳感器提供了新的機會。

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